燃料电池Pt基核壳结构电催化剂的最新研究进展

综述了用于燃料电池的Pt基核壳结构电催化剂的制备方法和表征方法的最新研究进展.首先,详细介绍了核壳结构催化剂的制备方法,主要包括胶体法、电化学法和化学还原法等.其中胶体法的应用最为广泛,制备过程简单易控;电化学法和化学还原法在最近几年得到了迅速发展,并有望用于核壳结构电催化剂的批量化生产.其次,简单阐述了核壳结构电催化剂特用的表征方法.其中高角度环形暗场-扫描透射电子显微镜是近年来发展的一种新技术,它利用暗场强度与原子序数的比例关系可以有效地表征核壳电催化剂的特殊结构.最后,总结了存在的问题并展望了可能的发展方向.     

Nafion含量与阴离子吸附对于铂单原子层核壳结构催化剂制备的影响（英文）

本实验利用铜的欠电位沉积技术,在旋转圆盘电极上以碳负载的钯纳米颗粒为核,制备铂单原子层核壳结构催化剂.电化学测试用于表征不同Nafion含量的添加对于核壳结构催化剂制备的影响.实验证明,Nafion的存在会影响铜的欠电位沉积,铂与铜的置换反应,并决定最终制备的核壳结构催化剂的氧还原催化反应的活性.当催化剂薄层中Nafion的含量低于5%的时候,添加Nafion不但可以帮助催化剂附着在旋转圆盘电极表面,而且可以保证制备的催化剂具有较好的氧还原反应催化活性.在H_2SO_4溶液中,钯纳米颗粒的表面存在特殊的阴离子吸/脱附电化学信号峰,这些信号峰可以用来监测Nafion含量对于铂单原子层核壳结构催化剂制备的影响.     

Pt单层修饰Pd/C氧还原催化剂

分别利用液相热解法和浸渍还原法制备了碳载钯纳米催化剂（Pd/C）,并研究了其对氧还原反应的电催化活性。与浸渍还原法相比,液相热解法得到的Pd/C催化剂虽然粒径较大,但表现出较好的氧还原反应（ORR）活性和稳定性.在所制备的Pd/C催化剂基础上,通过置换欠电势沉积的Cu原子单层,获得了Pt单层修饰的Pd/C催化剂,其ORR活性较Pd/C催化剂有显著提高,且与纯Pt/C催化剂接近,而其耐久性则较纯Pt/C催化剂有显著提升,显示出Pt单层催化剂的潜在优势.     

Pt 含量对Co@Pt/C核壳结构催化剂性能的影响

采用两步还原法制得Co@Pt/C核壳结构催化剂, 其中Co与Pt 的总质量分数为20%. 通过改变金属前驱体的用量, 制备了不同Co:Pt 原子比的Co@Pt/C 催化剂, 以20% (w) Co@Pt(1:1)/C 与20% (w) Co@Pt(1:3)/C 表示. 采用透射电镜(TEM)、光电子射线能谱分析(XPS)、循环伏安(CV)、线性扫描伏安(LSV)等方法考察了其结构与性能, 并与实验室早先制备的40% (w) Co@Pt/C 催化剂进行了比较. 自制20% Co@Pt(1:1)/C 与20% Co@Pt(1:3)/C 催化剂的金属颗粒直径约为2.2-2.3 nm, 在碳载体上分散均匀, 粒径分布范围较窄, 电化学活性比表面积(ECSA)分别为56 和60 m²·g^-1, 均超过商用催化剂20% Pt/C(E-tek) (ECSA=54 m²·g^-1). 20%Co@Pt(1:1)/C 与20% Co@Pt(1:3)/C 的半波电位相较于40% Co@Pt(1:1)/C 和40% Co@Pt(1:3)/C 均向正向移动, 表现出更好的氧还原(ORR)催化活性, 并有望降低催化剂的成本, 在质子交换膜燃料电池领域表现出良好的应用前景.     

燃料电池氧还原反应核壳结构电极材料的理性设计

纳米技术的迅速发展促进了核壳纳米粒子作为一种新型功能材料的产生。通过理性设计核与壳的组成,可以构建一系列具有功能可调性的核壳纳米材料。该类材料可以作为燃料电池中氧还原反应(ORR)的阴极电极,并表现了卓越的电催化性能。本文以不同化学属性为核壳分类,依托ORR机理,综述了近几年核壳结构电极材料在ORR中的应用,提出了存在的挑战,以期为解决能源转换与储存问题提供思路。     

高性能核壳结构催化剂PdRu@Pt/CNT的制备

采用两步沉积还原法制备了一种以PdRu合金为核、以铂为壳,以碳纳米管(CNT)为载体的核壳结构低铂催化剂PdRu@Pt/CNT.该催化剂对于甲醇催化氧化的单位位质量铂的活性可达自制20%Pt/CNT催化剂的1.7倍,且其正扫和反扫峰的峰电流密度之比(/_f//_b)高达2,是Pt/CNT催化剂/_f//_b值的2倍,表明通过将活性组分铂分散在PdRu核上,有效地提高了金属铂的分散度和铂的利用率,且通过壳层铂原子与核中钌及钯的相互作用,大大提高了催化剂对甲醇氧化中间体的去除能力.X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)的结果揭示了催化剂的核壳结构.另外,从TEM还可以看出:活性组分均匀地分布在碳纳米管载体上,活性组分粒径约为4.0 nm.由于这种催化剂能够有效提高铂的利用效率,并且有效消除甲醇氧化中间体,在低温燃料电池领域具有良好的应用前景.     

内核含Pd的Pt基核壳结构电催化剂

燃料电池汽车已被确立为我国的战略性新兴产业,目前正处于大规模商业化的前夜,铂基电催化剂作为质子交换膜燃料电池的核心材料之一,其活性、耐久性和成本制约着这一洁净能源技术的进一步发展。高性能低铂核壳电催化剂被广泛认为有望解决这一瓶颈问题,虽然国内外在这一领域的研究取得了诸多重要的进展,但是仍存在着制备过程复杂、非铂贵金属内核尺寸较大及核壳结构宏观表征困难等问题。本文介绍两种相对简单、易放大的制备方法,即一锅法和液相合成结合区域选择原子层气相沉积法,均获得了性能优良的Pd3Au@Pt/C核壳结构电催化剂,Pd3Au内核尺寸控制在约5 nm,并利用循环伏安测试和甲酸氧化反应从宏观角度研究了铂层在内核表面的覆盖情况,探索了含钯核壳结构电催化剂的新型宏观表征方法。     

应用于氧还原反应的石墨烯-无定形碳核壳结构复合材料载铂催化剂(英文)

采用氯化法制备石墨烯-无定型碳复合材料(GNS@a-C),并用作质子交换膜燃料电池(PEMFC)氧还原反应Pt催化剂的载体.结果显示,所制Pt/GNS@a-C催化剂与传统商业催化剂Pt/C相比,有较好的活性和较高的稳定性:质量活性(0.121 A/mg)几乎是Pt/C(0.064 A/mg)的两倍.更重要的是,该新型催化剂加速4000圈后其电化学活性面积保留了最初的51%,与Pt/C的33%相比,前者有更好的电化学稳定性,显示它在PEMFC中将具有较好的应用潜力.     

核壳结构:燃料电池中实现低铂电催化剂的最佳途径

电催化剂是决定低温燃料电池性能、寿命和成本的关键材料之一,核壳结构电催化剂由于其在降低铂载量、提高催化剂活性方面表现出的良好性质,已成为燃料电池领域的研究热点。本文综述了低温燃料电池核壳结构电催化剂的最新研究进展。首先,在概述核壳结构电催化剂总体特征的基础上,详细介绍了核壳结构电催化剂的制备方法,主要包括胶体法、热分解法、置换法、电化学法等,其中胶体法是目前应用最为广泛的一种方法,具有合成过程简单易控等优点;置换法和电化学法则是在最近几年得到了迅速的发展,并有望用于核壳结构电催化剂的批量化生产。然后,分别从二元及其他多元催化剂组成方面阐述了核壳型电催化剂体系的研究进展,核壳结构电催化剂不仅可有效提高贵金属铂的质量比活性,同时,其他金属元素与铂之间存在的相互作用可对电催化剂的活性及稳定性产生十分重要的调变作用。最后,我们对低温燃料电池核壳结构电催化剂的发展趋势作了展望。     

Rh@Pt内凹立方体核壳催化剂的制备及其乙醇电氧化性能

贵金属Rh基催化剂可有效催化乙醇中C―C键断裂,有利于实现乙醇完全电氧化,但Rh催化剂对乙醇电氧化的催化活性较低。本文通过种子介导生长法制备了具有内凹立方体形貌的Rh@Pt/C核壳催化剂,考察了不同Pt壳层厚度的Rh@Pt/C核壳催化剂在碱性介质中对乙醇电氧化反应(EOR)的催化性能。其中Rh@Pt_0.25/C核壳催化剂对EOR的质量归一化电流最高为520 mA/mg,此时面积归一化电流也最高,为0.16 mA/cm²。研究表明,Rh@Pt/C核壳催化剂中Rh和Pt之间的表面应变效应和电子配体效应取决于Rh表面Pt壳层的厚度,Pt壳层厚度的改变,可调控催化剂中Rh和Pt的协同作用,从而减弱毒性中间体对催化剂表面的吸附,优化催化剂对EOR的性能。总体上,Rh表面Pt壳层为3层的Rh@Pt_0.25/C核壳催化剂表现出最优的EOR活性和稳定性,此时催化剂也兼具了较优的抗毒化能力。     

表面富Pd的Ni-Pd/C催化剂的合成及电化学性质研究

应用改进的多元醇法,分步还原制备表面富Pd的N iPd双元合金催化剂.研究表明:由于Pd较容易还原成核,且与N i的合金化程度低,Pd难以在N i颗粒表面实现单层包覆形成N i@Pd核壳结构,而是近似以单相的低合金化形式存在于N i颗粒表面,即形成N i@Pd(N i)的结构.与Pd/C相比,制备的N i@Pd(N i)/C催化剂,其Pd表面的氢吸附峰与吸收峰分辨清晰,含氧化物的脱附峰向正电势移动,氧还原活性显著提高.另外,N i的存在使Pd的抗甲醇性能明显增强,从而有望作为直接甲醇燃料电池的阴极催化剂.     

Pt/TiO2催化剂的制备及其在氨催化氧化中的应用

二氧化钛具有优良的光催化性能,以其为载体通过光催化还原沉积可在其表面实现单质金属活性组分负载。本研究选择二氧化钛颗粒为载体,通过紫外光照射在二氧化钛颗粒表面还原沉积铂单质,形成Pt/ TiO2核壳结构,并将该新型催化剂用于氨催化氧化反应。所制备的Pt/TiO2催化剂铂负载量减为0.2 gPt/ gTiO2,比表面积增达10 m2/ g。以该催化剂催化氨氧化反应,氨转化率在600-700 篊即可达100 %,低于目前硝酸工业中氨氧化反应温度800-900 篊,也低于PtO2升华温度850 篊。该催化剂经400 h连续反应,其铂载量、及催化活性均无降低,具有工业应用前景。     

Synthesis of Ni@Au Core-shell Nanoparticles and Its Applications in Ullmann Reaction as a Synergistic Catalyst

The Ni@Au core-shell nanoparticles had been successfully synthesized from aqueous solution by one-step route at room temperature. The Ni@Au nanoparticles can be an excellent catalyst for Ullmann reaction. The advantage of Ni@Au is that the catalyst does not need additional reducing agents. The Au shell can effectively protect the Ni core from oxidation. The Ni core and Au shell have both composited in structure and cooperated in function.     

Effects of the Pt Shell Thickness on the Oxygen Reduction Reaction on a Well-Defined Pd@Pt Core-Shell Model Surface

The effect of the Pt shell thickness on the oxygen reduction reaction (ORR) of a Pd@Pt core-shell catalyst was studied using surface science technics and computational approaches. We found Pt shells on Pd rods to be negatively charged because of charge transfer from the Pd substrate when the shell thicknesses were 0.5 or 1 monolayer (ML). The activities of the ORR of the model surface with a Pt shell of 0.5 or 1 ML were similar and more than twice the activities of a Pt/C or Pt rod. The relationship between the ORR activity and the thickness of the Pt shell was the exact opposite of the relationship between the Pt binding energy and the Pt shell thickness. The indication was that more negatively charged Pt had higher ORR activity. Density functional theory calculations confirmed that a single layer of Pt atoms located on Pd was negatively charged compared to pure Pt and resulted in a lower barrier to the rate-limiting step of the ORR.     

质子交换膜燃料电池Pd修饰Pt/C催化剂的电催化性能

通过对Pt催化剂表面进行Pd修饰提高质子交换膜燃料电池阴极催化剂的氧还原反应(ORR)活性. 采用乙二醇还原法制备了不同比例的Pd修饰Pt/C催化剂. 透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)测试结果表明, 制备的催化剂贵金属颗粒粒径主要分布在1.75～2.50 nm之间, 并均匀地分散在碳载体表面. 循环伏安方法(CV)研究表明Pd修饰Pt/C催化剂的电化学活性面积低于传统的Pt/C催化剂. 但通过旋转圆盘电极(RDE)测试研究发现, 制备的催化剂具有比传统Pt/C催化剂高的ORR活性.     

Coordination Tunes Selectivity: Two‐Electron Oxygen Reduction on High‐Loading Molybdenum Single‐Atom Catalysts

Single‐atom catalysts (SACs) have great potential in electrocatalysis. Their performance can be rationally optimized by tailoring the metal atoms, adjacent coordinative dopants, and metal loading. However, doing so is still a great challenge because of the limited synthesis approach and insufficient understanding of the structure–property relationships. Herein, we report a new kind of Mo SAC with a unique O,S coordination and a high metal loading over 10 wt %. The isolation and local environment was identified by high‐angle annular dark‐field scanning transmission electron microscopy and extended X‐ray absorption fine structure. The SACs catalyze the oxygen reduction reaction (ORR) via a 2 e^? pathway with a high H₂O₂ selectivity of over 95 % in 0.10 m KOH. The critical role of the Mo single atoms and the coordination structure was revealed by both electrochemical tests and theoretical calculations.     

铂基氧还原催化剂在活性和稳定性方面的挑战

在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中,由于阴极氧还原反应（ORR）速率缓慢,因此开发高效的ORR催化剂是实现燃料电池商业化的关键. 世界各地的研究人员在提高催化剂活性和耐久性方面做出了不懈的努力. 目前,铂基催化剂仍然是商业应用上的首选,为开发实用的低铂氧还原催化剂,研究人员开展了大量的研究. 本文说明了ORR反应遇到的挑战,并介绍了近年来铂基氧还原催化剂的研究进展,具体包括ORR机理、铂核壳结构、一维纳米Pt催化剂和其他的代表性工作.     

Studies on the Adsorption and Dissociation of Methane and Carbon Dioxide on Nickel Catalysts

The adsorption and dissociation of methane and carbon dioxide for reforming on nickel catalysts were extensively investigated by TPSR, TPD, XPS and pulse reaction methods. These studies showed that the decomposition of methane results in the formation of at least three kinds of surface carbon species on supported nickel catalysts. Carbidic Cα, carbonaceous Cβ and carbidic clusters C-γ surface carbon species formed by the decomposition of methane demonstrated different surface mobility, thermal stability and reactivity. Carbidic Cα is a very active and important intermediate in carbon dioxide reforming with methane, and the carbidic clusters Cγ species might be the precursor of surface carbon deposition. The partially dehydrogenated Cβ species can react with H2 or CO2 to form CH4 or CO. On the other hand, it was proven that CO2 can be weakly adsorbed on supported nickel catalysts, and only one kind of CO2 adsorption state is formed. The interaction mechanism between the species dissociated from CH4